JPWO2017056679A1 - 多相電力変換装置の制御回路 - Google Patents
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Abstract
Description
この従来技術では、過電流状態を検出した過電流検出信号で演算増幅器を動作させ、この演算増幅器で、スイッチング素子の制御端子に出力する出力電圧を分圧した分圧電圧と基準電圧とを比較し、分圧電圧が基準電圧となるように出力電圧を制御するようにしている。
このため、スイッチング素子をオフ状態とするために、スイッチング素子の制御端子及び低電位側端子間に別途スイッチ素子を接続し、このスイッチ素子を遅延回路で所定時間遅延させた遅延過電流検出信号でオン状態に制御することにより、スイッチング素子の制御端子及び低電位側端子間を短絡することが考えられる。
この複数相同時のアーム短絡によって、遅延回路で設定された遅れ時間の間すなわち演算増幅器で出力電圧を設定電圧に制御している間に、図3(B)のt1からt2の間で示すように大きな振幅を伴う発振現象が起こり、アーム短絡開始から遅延回路で設定される上述の遅れ時間以内に多相電力変換装置のスイッチング素子を構成するIGBTの耐圧を超えてしまうとこのIGBTやドライバ回路が損傷することがある。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
以下、本発明の一の実施の形態に係る半導体素子の駆動装置について図面を参照して説明する。
スイッチングアームSA1は、スイッチング素子としてのIGBT11(X相)及びIGBT12(U相)とが負極ラインN及び正極ラインP間に直列に接続され、これらIGBT11及びIGBT12の接続点から交流出力端子tuが導出されている。
また、スイッチングアームSA2は、スイッチング素子としてのIGBT13(Y相)及びIGBT14(V相)とが負極ラインN及び正極ラインP間に直列に接続され、これらIGBT13及びIGBT14の接続点から交流出力端子tvが導出されている。
そして、各交流出力端子tu,tv,twに3相交流モータ等の3相負荷が接続される。
また、3相インバータ装置1を構成する各IGBT11〜16は、IGBT11で代表して示すように、コレクタがIGBT11のコレクタに接続され、ゲートがIGBT11のゲートに接続された電流検出用IGBT17をそれぞれ図示省略しているが備えている。
このドライバ回路111は、3相インバータ装置1のIGBT11をオン・オフ制御するオン・オフ制御信号CSが入力される制御信号入力端子tin、直流制御電圧源30からの直流電圧Vccが入力される直流制御電源端子tvcc、インバータ装置1のIGBT11のゲートに接続される出力端子tout、インバータ装置1の負極ラインNに接続される第1のグランド端子tpgnd、インバータ装置1の電流検出用IGBT17のエミッタが接続される検出電流入力端子toc、外部のグランド(図示せず)に接続される第2のグランド端子tgndを備えている。
駆動電流供給回路21は、直流制御電圧端子tvcc及び第1のグランド端子tpgnd間に直列に接続されたソース電流を制御する第1のスイッチング素子としてのPチャネル電界効果型トランジスタ26と、シンク電流を制御する第2のスイッチング素子としてのNチャネル電界効果型トランジスタ27とを有する。
Pチャネル電界効果トランジスタ26は、ソースが直流制御電源端子tvccに接続され、ドレインがNチャネル電界効果トランジスタ27のドレインに接続され、ゲートがオア回路28に接続されている。このオア回路28には、後述する過電流検出部23の個別過電流検出信号Scu、遅延回路63の遅延過電流検出信号Scd、制御信号入力端子tinに入力される制御信号CSが入力されている。
そして、Pチャネル電界効果型トランジスタ26及びNチャネル電界効果型トランジスタ27の接続点が出力端子toutに接続されている。
電流検出部22は、電流入力端子tocと第2のグランド端子tgndとの間に直列に接続された抵抗41及び42を有し、抵抗41及び42の接続点から3相インバータ装置1のIGBT11のコレクタに流れる電流値に応じた電圧値Viが出力される。
複数相過電流状態検出部24は、過電流検出部23から出力される個別過電流検出信号Scuを他のドライバ回路113及び115に出力する出力端子31と、他のドライバ回路113及び115の過電流検出部23から出力される個別過電流検出信号Scv及びScwが入力される入力端子32及び33とを備えている。
短絡用スイッチ素子61は、例えばNチャネル電界効果トランジスタで構成されている。このNチャネル電界効果トランジスタは、ドレインが駆動電流供給回路21の電界効果トランジスタ26及び27の接続点と出力端子toutとの間に接続され、ソースが駆動電流供給回路の電界効果トランジスタ27のソース及び第1のグランド端子tpgnd間に接続され、ゲートがオア回路62に接続されている。
演算増幅器65は、非反転入力端子が第2の基準電圧Vb2を出力する第2の基準電圧源66に接続され、反転入力端子が短絡用スイッチ素子61と並列に接続された分圧抵抗67及び68の接続点に接続され、出力端子が出力端子toutに接続されている。この演算増幅器65に供給される動作電源は、過電流検出部23から出力される個別過電流検出信号Scu及び複数相過電流状態検出部24から出力される複数相過電流信号Socが論理反転回路(NOT回路)69を介して入力されるアンド回路70から供給される。
はじめに、IGBT11のコレクタとエミッタが短絡(アーム短絡)していない正常状態での動作について説明する。
端子tinには、IGBT11のオン・オフを切り替えるための制御信号CSが入力される。この制御信号CSは、ドライバ回路111の入力電圧Vcc(以下Hレベルとも記す)とグランド電圧(以下Lレベルとも記す)間を遷移する矩形波信号である。端子tinの電圧がLレベルになると、Nチャネル電界効果型トランジスタ27は非導通状態となる。
また、端子tinに入力される制御信号CSの電圧がHレベルになると、Pチャネル電界効果型トランジスタ26は非導通となり、これに代えてNチャネル電界効果型トランジスタ27が導通状態になる。したがって、IGBT11のゲート容量を放電するシンク電流がNチャネル電界効果型トランジスタ27に流れて端子toutはLレベルになり、IGBT11はターンオフする。このように、インバータ装置1はIGBT11〜16のターンオンとターンオフの状態を順次切り替えて制御することにより、PN間の直流電圧から3相の交流電圧を得ることができる。
このため、IGBT11のコレクタ電流検出用のIGBT17には、IGBT11のコレクタ電流に比例した小さな電流が流れ、この電流はtoc端子を介して抵抗41と抵抗42に流入し、抵抗42の両端電圧Viも上昇する。IGBT11のコレクタ電流が大きくなるほど、抵抗42の両端電圧Viもそれに比例して高くなる。前記抵抗42の両端電圧Viが第1の基準電圧値Vb1以上になると、過電流検出部23の比較器51から出力される個別過電流検出信号Scuは、LレベルからHレベルに反転する。
この1相のドライバ回路111でのみでアーム短絡を生じているときには、他のドライバ回路113及び115では過電流検出部23で過電流を検出しておらず、入力端子32及び33に入力される個別過電流検出信号Scv及びScwはLレベルとなっている。
このため、各アンド回路52a、52b及び52cから出力される論理積出力がLレベルとなり、オア回路53から出力される複数相過電流信号SocはLレベルを維持する。この複数相過電流信号Socが論理反転回路69で論理反転される。
この時、ドライバ回路111の端子31の個別過電流検出信号Scuによって、ドライバ回路111の端子31に接続されるドライバ回路113の端子32とドライバ回路115の端子33へもドライバ回路111の個別過電流検出信号Scuが出力される。同様に、ドライバ回路113の端子31の個別過電流検出信号Scvによって、ドライバ回路113の端子31に接続されるドライバ回路111の端子33とドライバ回路115の端子32へもドライバ回路113の個別過電流検出信号Scvが出力される。このため、ドライバ回路111では端子31と32に、ドライバ回路113では端子31と33に、ドライバ回路115では端子32と33に、それぞれHレベルの個別過電流検出信号が与えられる。
この時、ドライバ回路113の端子33とドライバ回路115の端子32へ個別過電流検出信号Scuが与えられるだけで、ドライバ回路111の端子32と33、ドライバ回路113の端子31と32及びドライバ回路115の端子31と33には個別過電流検出信号が与えられない。このため、ドライバ回路111,113及び115のアンド回路52a,52b,52cの出力が全てLレベルとなるため、オア回路53の出力すなわち複数相過電流信号SocはLレベルを維持する。この場合は図3(A)のt1からt2に示す動作となる。
すなわち、本実施形態における複数相過電流検出部24を省略した場合には、図4に示すように、過電流検出部23から出力される個別過電流検出信号Scuがオア回路28を介してPチャネル電界効果トランジスタ26のゲートに供給されるとともに、演算増幅器65に動作電源として供給され、さらに遅延回路63にも供給される。この遅延回路63から出力される遅延過電流検出信号Scdは、オア回路28に供給されるとともに、短絡用スイッチ素子61のゲートに供給される。
したがって、例えばIGBT11および12で構成されるスイッチングアームSAにのみアーム短絡が生じた場合には、過電流検出部23の比較器51で過電流を検出してHレベルの個別過電流検出信号Scuが出力される。このため、個別過電流検出信号Scuによって、Pチャネル電界効果トランジスタ26が非導通状態となるとともに、演算増幅器65に作動電力が供給されて動作状態となる。その後、遅延回路63で設定された遅延時間Δtが経過した時点で短絡用スイッチ素子61が導通状態に制御されてIGBT11のゲートおよびエミッタ間が短絡され、IGBT11がターンオフする。
このような複数相同時のアーム短絡においては1相のみのアーム短絡に比べて数倍の過電流が流れる。このような大きな過電流が流れると、電流の時間的変化によりワイヤボンディングのようなリアクタンス部分の両端に瞬間的な電圧シフトが発生する。この電圧シフトがトリガーとなって、回路内の閉ループにおいて振動が発生する。
これに対して、本実施形態では、各ドライバ回路111、113および115にそれぞれ複数相過電流状態検出部24が設けられ、この複数相過電流状態検出部24で複数相の過電流状態を検出したときに、複数相過電流信号Socが出力される。このため、各ドライバ回路111、113および115で同時に、複数相過電流信号Socによって短絡用スイッチ素子61が瞬時に導通してIGBT11をターンオフさせるとともに、演算増幅器65への作動電力の供給を停止する。したがって、ドライバ回路111の出力端子toutから出力される出力電圧(ゲート電圧)Vtoutが図3(c)に示すように直ちに低下することになり、電流の時間的変化によりワイヤボンディングのようなリアクタンス部分の両端に発生する瞬間的な電圧シフトがトリガーとなって、回路内の閉ループにおいて発生する振動の影響を受けることがなくなる。
第1の実施の形態が、2相または3相が同時に過電流を検出した場合に3相全てのIGBTを即OFFにすることができる回路構成であるのに対して、第2の実施の形態では、3相全てで同時に過電流が検出された場合にのみ、3相全てのIGBTを直ちにターンオフすることができる回路構成であることが異なる点である。
図5においては、複数相過電流検出部24が、端子31、32、33がそのまま入力される3入力アンド回路52dを備えている。このため、複数相過電流信号SocがHレベルとなるには、出力端子31、32、33の個別過電流検出信号Scu、ScvおよびScwがすべて、Hレベルに切り替わる必要がある。すなわち、3相すべてが同時に過電流状態になり、ドライバ回路111,113及び115の全ての個別過電流検出信号Scu、ScvおよびScwがHレベルとなり、他のドライブ回路から個別過電流検出信号が与えられる端子32及び33からもHレベルの信号を入力することが過電流検出の条件である。それ以外の回路構成、動作、Vtout波形については、図1、図2、図3(C)と同様である。
また、上記第1および第2の実施形態では、インバータ装置1のスイッチング素子がIGBTである場合について説明したが、これに限定されるものではなく、MOSFETなどの電圧制御型半導体素子を適用することができ、さらにSiC−IGBT、SiC−MOSFET、GaN−IGBT、GaN−MOSFET等のワイドバンドギャップ半導体素子を適用することができる。
さらに、上記第1および第2の実施形態では、多相電力変換装置として3相インバータ装置を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、4相以上の多相インバータや多相コンバータに本発明を適用することができる。
SA1、SA2、SA3 スイッチングアーム
11、13、15 下アーム(X相、Y相、Z相)IGBT
12、14、16 上アーム(U相、V相、W相)IGBT
17 IGBT11の電流検出用IGBT
21 駆動電流供給回路
22 電流検出部
23 過電流検出部
24 複数相過電流状態検出部
25 過電流状態制御部
26 Pチャネル電界効果型トランジスタ
27 Nチャネル電界効果型トランジスタ
28 オア回路
30 直流制御電圧源
31、32、33 端子
41、42 抵抗
51 比較器
52a、52b、53c、52d、707 アンド回路
54 遅延回路
53、62 オア回路
69 論理反転回路
59 第1の基準電圧源(電圧Vb1)
61 短絡用スイッチ素子
65 演算増幅器
66 第2の基準電圧源(電圧Vb2)
111、113、115 ドライバ回路
Claims (7)
- 多相電力変換装置の制御回路であって、多相のそれぞれに設けられたスイッチング素子にそれぞれ対応して駆動するスイッチング素子駆動回路を有し、
該スイッチング素子駆動回路は、
対応した前記スイッチング素子を動作状態とする場合に前記スイッチング素子の制御端子にソース電流を供給し、前記スイッチング素子を非動作状態とする場合に前記制御端子にシンク電流を供給する駆動電流供給回路と、
前記スイッチング素子を流れる電流を電圧値として検出する電流検出部と、
前記電流検出部で検出した電圧値が第1の基準電圧より大きい場合に個別過電流検出信号を出力する過電流検出部と、
少なくとも2相以上の前記スイッチング素子駆動回路の前記過電流検出部が前記個別過電流検出信号を出力した時に複数相過電流信号を出力して前記スイッチング素子の制御端子と低電位側端子を短絡させる過電流状態制御部と
を備えていることを特徴とする多相電力変換装置の制御回路。 - 前記スイッチング素子駆動回路は、それぞれ、
自己が生成した前記個別過電流検出信号を出力する端子と、
他のスイッチング素子駆動回路から出力される前記個別過電流検出信号を入力する端子と、を有することを特徴とする、請求項1に記載の多相電力変換装置の制御回路。 - 前記スイッチング素子駆動回路は、前記スイッチング素子の制御端子の電圧を検出した電圧が入力される反転入力端子と、第2の基準電圧が入力される非反転入力端子と、前記スイッチング素子の制御端子に接続される出力端子を備える演算増幅器を有し、
該演算増幅器は、前記スイッチング素子駆動回路の内部で前記個別過電流検出信号が出力されかつ前記複数相過電流信号が出力されていないときに動作状態となることを特徴とする請求項1に記載の多相電力変換装置の制御回路。 - 前記スイッチング素子駆動回路は、各相の前記個別過電流検出信号を入力し、2つ以上の個別過電流検出信号がオン状態であるときに前記複数相過電流信号を出力する複数相過電流状態検出部をさらに備え、
前記過電流状態制御部は、前記スイッチング素子の制御端子及び低電位側端子間に接続された短絡用スイッチ素子とを備え、前記複数相過電流信号が前記短絡用スイッチ素子の制御端子に入力されることを特徴とする請求項1に記載の多相電力変換装置の制御回路。 - 前記複数相過電流状態検出部は、それぞれの前記個別過電流検出信号のうち異なる2つの個別過電流検出信号が入力される複数の論理積回路と、各論理積回路の出力が入力される論理和回路とを備え、前記論理和回路から前記複数相過電流信号を出力することを特徴とする請求項4に記載の多相電力変換装置の制御回路。
- 前記複数相過電流状態検出部は、全ての前記個別過電流検出信号が入力される論理積回路を有し、該論理積回路から前記複数相過電流信号を出力することを特徴とする請求項1に記載の多相電力変換装置の制御回路。
- 前記電力変換装置のスイッチング素子が、電圧制御型半導体素子であることを特徴とする請求項1に記載の多相電力変換装置の制御回路。
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